物联网技术路线之争,中国厂商何去何从

标签:物联网技术路线

访客:27550  发表于:2015-09-09 10:03:08

虽然“物联网”之热有所冷却,但以企业为主体的务实创新阶段正悄然来临。物联网操作系统是ICT产业发展的竞争制高点。成熟的物联网操作系统尚属空白,正呈现着两条技术路线:一是以Contiki和Tiny OS为代表的做加法路径;二是以iOS和 Andriod为代表的做减法路径。不同技术路线的物联网操作系统尚未形成垄断,中国厂商应抓住机遇,尽早布局,确立路径方向,重点解决专利、安全和产业生态三大问题,切实提升我国物联网操作系统的国际话语权和产业竞争力。

一、物联网操作系统的内涵及类型

由于物联网接入设备要求尺寸更小、功耗更低,安全可靠并具备通讯和组网能力,需要上面运行的操作系统能够支持更优秀的低功耗技术和丰富互联技术等,从而构成特有的“物联网操作系统”概念。

我们认为,物联网操作系统特指面向物联网设备且具备物联网应用特点,为用户和开发者提供统一使用接口的系统软件。操作系统是硬件与用户之间的接口,传统上将操作系统分为服务器操作系统、桌面操作系统和嵌入式操作系统三大类。服务器操作系统是服务器与用户之间的接口,桌面操作系统是个人计算机与用户之间的接口,嵌入式操作系统是嵌入式硬件平台与用户之间的接口。近年来随着技术发展,硬件设备越来越多样化,操作系统分类呈现细分趋势,出现了专门针对智能终端的移动操作系统Android和iOS。

物联网技术路线之争,中国厂商何去何从

物联网领域的硬件设备和应用场景的多样化往往需要融合多种操作系统。例如:在智能家居应用中,硬件设备从云端高性能服务器直至智能灯泡这样仅包含简单处理逻辑的新型智能设备,往往在同一个物联网应用场景包含着多种操作系统,列举了其中主要操作系统名称,分别对应硬件设备、计算平台和操作系统类型。

根据物联网操作系统的不同类型,我们以CPU计算能力(以运行主频表征)为横轴和对应的应用场景要求(以操作系统功能特性表征)为纵轴对操作系统进行一个系统分类,结果下图。图中右上角属于以桌面和服务操作系统为代表的通用操作系统,这类操作系统运行在高性能的Intel处理器上,支持最为丰富的操作系统功能;反之在左下角则是以contiki和Tiny OS为代表的传感器网操作系统,这类操作系统不支持图形界面,仅需几KB内存即可运行。中间则是以Android和iOS为代表的移动操作系统,功能和性能也介入上述两者之间。


物联网技术路线之争,中国厂商何去何从

物联网作为新兴应用领域,由于接入设备可使用资源受限、设备之间互连协议种类多,设备规格跨度大等,对嵌入式操作系统提出了新的需求,既要求系统占用资源相对少、运行功耗低;同时又要求支持多种物联网互联协议,支持内核可伸缩等关键技术特征。正好位于图中左下角一个相对空白的区域(见图中阴影部分),即物联网操作系统的应用范围。

二、物联网操作系统的技术路线

由于现有操作系统很难完全匹配物联网应用需求,填补图1中的空白区域有两条技术路线可以选择。一条是基于Android这样的操作系统进行裁剪和定制,来适应物联网接入设备的需求(见图1中技术路线一);另一条技术路线是以传统嵌入式操作系统和实时操作系统为基础,通过增加设备联网等功能,满足物联网接入设备互联需求,形成新的嵌入式操作系统(见图1中技术路线二)。

(一)基于Android等操作系统进行裁剪和定制

第一条技术路线优势在于保持底层技术架构一致的基础上,可以使用原有操作系统的商业生态,从而降低市场进入成本。缺点在于要兼顾多种应用场景,很难保证针对底层应用的最优化,包括功耗的最优化和可靠性最优化等,也很难保证运行在高频处理器的操作系统经过裁剪能够运行在低主频和更低主频的微控制器上。目前采取这种技术路线的主要国外公司包括:

微软:微软原有产品线包括了服务器操作系统(windows Server系列),桌面操作系统(windows xp,windows7,windows8),嵌入式操作系统(windows CE, windows phone)。微软近期战略方向就是统一产品线,在windows 10这一版本中提供一个覆盖全领域的操作系统架构,其中就包括了windowsiot cores。而对于大量采用低主频应用的系统来说,微软的物联网操作系统仍显得运行成本过高。

谷歌:原有产品线包括移动操作系统(android)。谷歌通过适当的定制裁剪,推出了面向穿戴设备的android wear操作系统,面向智能汽车的android auto。而在今年(2015年),谷歌又推出了仅具备android最底层特性,面向物联网应用的android brillo。同时由于谷歌采取了开源方式发布操作系统,还有大量第三方厂商通过定制android系统,将其应用在智能电视,机顶盒、路由器等不同领域。

苹果:原有产品线包括桌面操作系统(Mac OS)和移动操作系统(iOS),配合其在智能硬件领域内的产品布局,基于iOS系统开发了面向apple watch的穿戴设备操作系统。同时苹果以iOS为主导,用HomeKit智能家居平台整合硬件厂商,而HomeKit平台作为一个互连框架对于智能硬件厂商是开放的。

(二)在传统嵌入式操作系统和实时操作系统的基础上增加设备联网

第二条技术路线的优势在于原本单片机操作系统就是针对资源受限的硬件平台开发,功耗和可靠性上都显着比上面的“大操作系统”强,通过适当增加功能也能保证功耗和性能符合应用需求。主要问题在于如何围绕操作系统构建一套新的生态体系,提高市场占有率。该技术路线的国外厂商和研究机构包括:

ThingSquare:主要产品线为Contiki。这是一个小型的、开源的、极易移植的多任务嵌入式操作系统。Contiki专门设计适用于一系列的内存首先的网络系统,包括从8位单片机到基于32位微型控制器的嵌入式系统。在一个较为典型的配置中,Contiki系统只需2KB的RAM与40Kb的ROM,并能提供多任务环境和内建TCP/IP支持,因此目前在物联网领域应用非常广泛。

UCBerkeley:该大学机构主要开发了开源操作系统项目Tiny OS,专为嵌入式无线传感网络设计,Tiny OS是一个具备较高专业性,专门为低功耗无线传感终端设计的操作系统,目前TinyOS应用在石油和气体监控、传感网络的控制和优化、无线传感网络进行健康监测等。

ARM:ARM作为一家芯片公司,目前主要的MCU厂商都获得了其Cortex-M系列IP核设备,开发32位的微控制器。ARM原本不涉足操作系统产品,但是在2014年底推出了mbed平台,其中包括了一个为Cortex-M架构设计的嵌入式操作系统。mbed操作系统包括物联网所需的所有基础组件如安全、通信传输、设备管理等,并将所有的标准协议支持诸如BT、Wi-Fi、Thread、HTTP等都集成在内。

TRON:这是一个来自日本的实时操作系统,特色在于规定了设计内核的接口和规范,本身并不指定内核源代码。因此各个公司都可以开发出符合该规范的操作系统版本,TRON操作系统在以家电为代表的低端嵌入式系统市场取得成功。针对物联网应用的发展趋势,TRON本身也在不断演化,更加强调网络协议栈与硬件多样化的支持。

总体来说,目前由技术路线一延伸过来的操作系统相对来说需要资源更多些,例如:googlebrillo最低也需要32M运行内存,运行功耗更大。相比较而言,contiki最低只需要几KB运行内存即可运行起来,运行功耗极低。

三、物联网操作系统的中国厂商

目前国内发布物联网操作系统主要包括庆科、腾讯、华为等厂商。其中,腾讯使用了Android进行定制开发,而庆科与华为则是采取了与技术路线二的方式推出自己的轻量级嵌入式操作系统。

腾讯:主业是互联网应用软件和移动互联网应用软件,不涉足操作系统产品线。在2015宣布采取了基于Android定制开发发布了TOS,这与腾讯在移动互联网之后布局物联网的战略相关。目前已有智能手机和智能手表厂商跟进应用,但是问题在于TOS仍旧是一个基于android修改的相对重量级的操作系统,未能完全匹配物联网设备多样化的应用需求。

庆科:上海庆科公司原本从事微控制器系统的开发,在2014年底以中国第一款物联网操作系统的概念推出MiCO OS。MiCO OS是一个基于微控制器的嵌入式操作系统,内置完整广泛应用的成熟解决方案,包括简易的交互式网络配置,智能硬件的初次设置,超快速的无线网络接入,服务的发现,身份的认证,数据安全等功能,并支持大部分常用的微控制器平台。

华为:华为Lite OS是一个面向物联网应用的轻量级操作系统,支持动态加载,自带蓝牙和ZigBee协议栈,并且在华为Mate7智能手机上已得到应用,基于LiteOS实现了传感器持续采集数据,此外LiteOS也获得了大量硬件厂商的支持。

此外,小米在自己的路由器上使用基于Linux内核定制的路由器操作系统,在机顶盒上使用了基于Android定制的操作系统; HelloX、百度等也在为未来物联网应用进行系统布局。

四、我国物联网操作系统的发展机会

(一)存量市场竞争集中度不高

由于计算平台的多样化,物联网操作系统作为嵌入式操作系统的一个子类,依然处于多样化市场格局之中。根据2013年的市场调研报告,占据市场份额超过10%的嵌入式操作系统只有Android(28%)、FreeRTOS(21%)、Ubuntu Linux(13%)、Micrium uCOS-II和III(10%),其他十余种嵌入式操作系统的市场份额都只有个位数字。与此同时,用户自己开发的嵌入式操作系统占据了高达19%的份额。普遍认为竞争集中度不高的市场有利于新进入者,给中国厂商留下了相应的市场机会。

(二)增量市场带来大量新的机会

操作系统本身是一个用户粘性极高的产品,不断寻找增量市场机会才可以抢占先机。例如:微软利用个人计算机普及的这个增量市场机会,进入桌面操作系统市场,并最终成为市场统治者。谷歌利用智能手机大量普及的增量市场机会,推出满足以应用为核心的Android操作系统,而目前Android系统占据了整个计算平台的40%左右的市场份额。

物联网操作系统市场是一个增量市场。目前并没有一款成熟产品能够完全适应物联网应用。即使是微软与风河( windriver,现在已被intel收购)等传统操作系统公司,也需要调整自己的产品线来适应新市场。而增量市场的很大一部分必将来自中国,谁能够在国内市场尽可能快的形成自己的用户群,谁就有可能成为新的市场赢家。

(三)操作系统商业模式与云计算和移动互联相结合

移动互联网时代,应用或服务成为产业价值链的核心。操作系统已经不是传统意义上的基础软件,而是为构建应用生态系统服务的平台。例如,Android是由系统库、运行库、应用架构和应用软件组成的系统,并非传统意义上的操作系统软件。而ARM推出的mbed就更为典型,mbed除了操作系统外,还包括了一套在线开发平台和一个运行在云平台的设备服务器。

操作系统与云端结合趋势也为中国发展操作系统带来了有利条件。目前开发物联网操作系统的中国厂商都有互联网和云端的相关背景,如:庆科与阿里巴巴在物联网发展展开战略合作,华为发布的Liteos本身是其敏捷物联解决方案的一部分。厂商发布物联网操作系统的同时与自身的云计算平台结合,更有利于实现对整个嵌入式系统的控制。

五、中国物联网操作系统需要解决的重点问题

尽管中国厂商未来在物联网操作系统市场存在巨大发展空间,但是我们也应看到中国厂商在发展自身物联网操作系统中还需要重点考虑以下几个突出问题。

(一)专利问题

目前物联网操作系统大都是基于开源linux系统裁剪,未来在市场竞争过程中,专利竞争态势需高度关注。参照目前微软在android这样一个开源生态进行专利授权和收费的案例,中国发展自己的物联网操作系统尤其需要根据市场发展情况和竞争对手态势来提前研究和布局物联网操作系统上的专利。

(二)安全问题

对于物联网应用来说,目前缺乏从操作系统层面提供相应的安全措施。硬件智能化会带来严重的安全问题,根据惠普的调研报告,70%左右的物联网设备存在安全隐患。一旦底层系统和应用出了问题,所涉及到设备数量将会以数十万计乃至数百万计。典型的例子如nest召回了44万台烟雾探测器。从这个角度出发,以行业安全的角度出发设置操作系统的安全准入门槛,有利于整个物联网行业的健康发展,而国内的厂商在这方面应当有提前的布局和应对。

(三)生态问题

操作系统、应用与服务需要形成一个良好生态。物联网最终是要实现万物互联,应用与服务是一个核心问题,而操作系统只是实现连接标准的基础。目前国外有四个制定物联网互连标准的组织,分别是高通主导的AllJoyn、Intel主导的OIC联盟、苹果主导的HomeKit以及谷歌主导的Android Home。这些从事物联网互联标准的组织促进了不同种类设备间互联应用。中国操作系统厂商在建立自身生态的过程中,需要考虑以最优化的方式去支持上述的国外生态系统,甚至可以考虑以操作系统为基础,建立自身的互联生态系统,这更是物联网应用的核心。

过去60年间计算平台发展历史证明,当人们使用的计算平台硬件发生改变时,就为新操作系统厂商进入市场提供了机会,在物联网应用领域包含了大量的新型智能硬件,在这样一个新的操作系统市场机会中,是否会再次孕育出微软或谷歌这一级别的新操作系统厂商,更关键的在于中国厂商要更多的思考如何利用自身的技术和市场优势抓住这次机会,在操作系统市场拼图上加入中国板块。

来源: CSIP

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